Hydro được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, và chỉ một lượng rất nhỏ hydro tự do tồn tại trong trạng thái tự nhiên. Hydro công nghiệp đề cập đến sản phẩm hydro khí cháy được sản xuất trên quy mô lớn từ nguyên liệu công nghiệp thông qua một số phương tiện nhất định. Quá trình này của việc chiết xuất hydro công nghiệp từ nguyên liệu chứa hydro thông qua việc nhập năng lượng được gọi là sản xuất hydro nhân tạo, bao gồm sản xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch, sản xuất hydro từ phân giải nước, sản xuất hydro từ công nghệ sinh học và sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời. Năng lượng hydro, như năng lượng hóa học của hydro, được biểu hiện dưới dạng năng lượng được giải phóng trong quá trình thay đổi vật lý và hóa học. Đó là một loại năng lượng quan trọng với tính chất năng lượng phụ. Việc sản xuất và sử dụng hydro nhân tạo trên quy mô lớn này được gọi là ngành công nghiệp hydro, bao gồm sản xuất hydro ở hạ nguồn, lưu trữ và vận chuyển ở giữa và ứng dụng ở hạ nguồn. Các ngành công nghiệp khác nhau trong hệ thống ngành công nghiệp hydro dựa trên một số kết nối kỹ thuật và kinh tế nhất định, tức là chuỗi cung ứng ngành công nghiệp hydro, chuỗi giá trị ngành công nghiệp hydro, chuỗi doanh nghiệp ngành công nghiệp hydro và chuỗi cung cầu ngành công nghiệp hydro không gian.
1 Ngành công nghiệp hydro toàn cầu đã bắt đầu hình thành
Ngành công nghiệp hydro toàn cầu đã phát triển nhanh chóng, với quy mô thị trường tăng từ 187,082 tỷ USD vào năm 2011 lên 251,493 tỷ USD hiện nay, với tỷ lệ tăng trưởng 34,4%. Trong đó, Hoa Kỳ là quốc gia nhập khẩu hydro công nghiệp lớn nhất, với tổng giá trị nhập khẩu là 248 triệu USD, trong khi Hà Lan là quốc gia xuất khẩu hydro công nghiệp lớn nhất, với tổng giá trị xuất khẩu hàng năm là 342 triệu USD.
Xã hội nhân loại đã trải qua ba cuộc cách mạng công nghiệp. Kể từ giữa thế kỷ này, cùng với cuộc cách mạng công nghiệp thứ tư, sự chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng mới đã bắt đầu. Nhìn vào lịch sử phát triển năng lượng, việc nâng cấp ba nguồn năng lượng chính phản ánh các hình thức "ba nền kinh tế".
Phát minh của Watt về động cơ hơi nước đã thúc đẩy sự chuyển đổi lớn đầu tiên từ củi sang than, biểu hiện dưới dạng "nền kinh tế carbon cao";
Daimler đã phát minh ra động cơ đốt trong, hoàn thành sự chuyển đổi lớn thứ hai từ than đến dầu và khí, tạo ra một "nền kinh tế thấp carbon";
Tiến bộ khoa học và công nghệ hiện đại cùng yêu cầu bảo vệ môi trường ngày nay đã thúc đẩy sự chuyển đổi lớn thứ ba của năng lượng hóa thạch truyền thống sang năng lượng mới không hóa thạch như năng lượng hydro. Thế giới có thể dần dần bước vào "thời đại năng lượng hydro không carbon"
2 Sản xuất hydro nhân tạo chủ yếu dựa vào tài nguyên hóa thạch
Thị trường hydro công nghiệp toàn cầu có tính địa phương mạnh mẽ và đã hình thành ba bản đồ khu vực chính của châu Á-Thái Bình Dương, Bắc Mỹ và châu Âu.
Tài nguyên hóa thạch hiện nay là nguyên liệu chính cho việc sản xuất hydro, trong đó sản xuất hydro từ khí đốt than có tiềm năng phát triển lớn.
2.1 Sản xuất hydro công nghiệp là địa phương
Khu vực châu Á-Thái Bình Dương đứng đầu thế giới về sản xuất hydro công nghiệp, tiếp theo là Bắc Mỹ.
Sự tăng trưởng kinh tế nhanh chóng của các nước đang phát triển ở khu vực châu Á-Thái Bình Dương, như Trung Quốc và Ấn Độ, đã mang lại nhu cầu mạnh mẽ về năng lượng sạch như hydro trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương.
Nhu cầu và sản xuất hydro công nghiệp của Trung Quốc mạnh mẽ và đang tăng từng năm. Hiện nay, nước này duy trì trạng thái cân bằng cung cầu, cả nhu cầu và sản xuất đều đứng đầu thế giới.
Là một trong những quốc gia hàng đầu trong việc sử dụng năng lượng hydro trên thế giới, Trung Quốc đã giữ vị trí đầu tiên thế giới trong nhiều năm kể từ khi sản lượng vượt quá 1 000×10 4 t lần đầu tiên vào năm 2009.
2.2 Sản xuất hydro từ tài nguyên hóa thạch chiếm ưu thế
Hiện nay, nguyên liệu cho việc sản xuất hydro nhân tạo chủ yếu là tài nguyên hóa thạch như dầu mỏ, khí tự nhiên và than đá. So với các phương pháp sản xuất hydro khác, quy trình sản xuất hydro từ tài nguyên hóa thạch đã trưởng thành và giá nguyên liệu tương đối thấp, nhưng sẽ phát thải một lượng lớn khí nhà kính và gây ô nhiễm môi trường.
Trước đây, hơn 96% nguồn nguyên liệu chính của thế giới cho việc sản xuất hydro nhân tạo đến từ quá trình reforming nhiệt hóa của tài nguyên hóa thạch truyền thống, và chỉ khoảng 4% đến từ phân giải nước. Than đá và khí tự nhiên là nguyên liệu chính cho việc sản xuất hydro nhân tạo ở nước ta, chiếm 62% và 19% tương ứng. Sản xuất hydro bằng phương pháp phân giải nước chiếm vị trí đặc biệt trong ngành công nghiệp hydro của Nhật Bản, và năng lực sản xuất hydro từ phân giải nước mặn chiếm 63% tổng năng lực sản xuất hydro nhân tạo của đất nước này.
2.3 Sản xuất hydro từ khí đốt than có tiềm năng phát triển lớn
Khí đốt than đá đề cập đến phản ứng của than đá với chất khí hóa dưới điều kiện nhiệt độ cao, áp suất bình thường hoặc áp suất cao để tạo ra sản phẩm khí. Với sự phát triển của các ngành công nghiệp chuyển đổi than thành khí tổng hợp và than thành dầu, sản lượng hydro từ chuyển đổi than đến khí đã tăng từng năm, với quy mô lớn và chi phí thấp, và chi phí sản xuất hydro khoảng 20 nhân dân tệ/kg. Ngoài ra, trong quá trình sản xuất các sản phẩm hóa học (bao gồm amoniac tổng hợp, metanol, v.v.), các thiết bị phục hồi hydro công nghiệp với độ tinh khiết lớn hơn 99% từ khí nghỉ chứa hydro đang trở nên ngày càng trưởng thành và tăng lên.
Sản xuất hydro từ khí hỏa dưới đất có tiềm năng phát triển lớn và cũng là một cách hiệu quả để biến đổi và sử dụng than đá một cách sạch sẽ. Công nghệ sản xuất hydro từ khí hỏa dưới đất có các ưu điểm về sử dụng tài nguyên cao và gây ít thiệt hại cho môi trường bề mặt. Nó phù hợp với đặc điểm cấu trúc tài nguyên của đất nước tôi giàu than đá nhưng thiếu dầu và khí. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn thăm dò và còn một quãng đường dài để sử dụng thương mại.
3 Công nghệ lưu trữ và vận chuyển hiệu quả hydro là trọng tâm của sự phát triển
Công nghệ lưu trữ và vận chuyển hydro an toàn và hiệu quả là chìa khóa để thực hiện ứng dụng thực tế của năng lượng hydro. Các phương pháp lưu trữ hydro chủ yếu bao gồm lưu trữ hydro lỏng ở nhiệt độ thấp, lưu trữ hydro khí ở áp suất cao, lưu trữ hydro rắn và lưu trữ hydro hợp chất hữu cơ. Các phương pháp lưu trữ hydro khác nhau có mật độ lưu trữ hydro khác nhau, trong đó phương pháp lưu trữ hydro khí có mật độ lưu trữ hydro nhỏ nhất và phương pháp lưu trữ hydro kim loại hydride có mật độ lưu trữ hydro lớn nhất.
3.1 Chi phí của công nghệ lưu trữ hydro lỏng ở nhiệt độ thấp cao
Sản xuất và lưu trữ và vận chuyển hydro công nghiệp quy mô lớn và giá rẻ là cơ sở để thực hiện việc sử dụng thực tế của năng lượng hydro. Hydro khí ở áp suất cao trở thành chất lỏng ở -253°C, và mật độ của hydro lỏng là 845 lần so với hydro khí. Tỷ lệ trọng lượng của lưu trữ hydro lỏng dao động giữa 5,0% và 7,5%, và dung tích theo thể tích khoảng 0,04 kgH 2 /L. Lưu trữ hydro lỏng đòi hỏi các bình chứa có khả năng cách nhiệt cực kỳ cao để tránh sôi và bay hơi của hydro lỏng.
Hiện nay, hydro lỏng chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ tên lửa vũ trụ, và các bể chứa và xe chở hydro lỏng đã được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác tại đất nước của tôi. Với sự phát triển của các chương trình vũ trụ của con người, các bể chứa hydro lỏng lớn hơn đang trở nên lớn hơn, và có thể xây dựng các bể chứa hydro lỏng cách nhiệt lớn với dung tích lưu trữ lớn hơn 1.000 m3.
3.2 Công nghệ lưu trữ hydro khí ở áp suất cao đã chín muồi
Công nghệ lưu trữ hydro khí ở áp suất cao hiện đang là công nghệ lưu trữ hydro phổ biến nhất và chín muồi nhất. Phương pháp lưu trữ của nó là nén hydro công nghiệp vào một bình chứa chịu được áp suất cao. Thiết bị lưu trữ hydro khí ở áp suất cao chủ yếu bao gồm các bể chứa hydro cố định, bình khí dài, bó ống dài, nhóm bình thép và bình chứa hydro trên xe.
Bình khí thép là loại bình lưu trữ hydro khí ở áp suất cao phổ biến nhất, có các ưu điểm về cấu trúc đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp cho việc chuẩn bị hydro nén, tốc độ đổ và xả nhanh, nhưng cũng có nhược điểm về hiệu suất an toàn kém và dung tích thấp. Hiện nay, các trạm nạp hydro đã được xây dựng và đang được xây dựng tại Trung Quốc thường sử dụng thiết bị lưu trữ hydro khí bình nhóm ống dài.
3.3 Công nghệ lưu trữ hydro rắn chưa chín muồi
Lưu trữ hydro rắn là phương pháp lưu trữ hydro tiềm năng nhất, có thể vượt qua hiện tượng thiếu sót của phương pháp lưu trữ hydro khí áp suất cao và hydro lỏng ở nhiệt độ thấp. Nó có các ưu điểm về mật độ lưu trữ hydro theo thể tích cao, vận hành dễ dàng, vận chuyển thuận tiện, chi phí thấp, an toàn cao, v.v. Nó phù hợp cho các trường hợp yêu cầu nghiêm ngặt về dung tích, như các phương tiện sử dụng tế bào nhiên liệu hydro. Công nghệ lưu trữ hydro rắn có thể chia thành lưu trữ hydro hấp physis và lưu trữ hydro hydride hóa học. Phần trước có thể được chia thành khung kim loại hữu cơ (MOFs) và vật liệu cacbon nano cấu trúc; phần sau có thể được chia thành kim loại hydrides như titan, magiê, zircon và kim loại hiếm, cũng như hydrides không kim loại như borohydrides và hydrides hữu cơ.
Lưu trữ hydro kim loại hydride có các ưu điểm về mật độ lưu trữ hydro cao, độ tinh khiết cao, độ tin cậy cao (không yêu cầu điều kiện áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp) và quá trình lưu trữ hydro đơn giản. Nguyên tắc chính là chọn kim loại hydride phù hợp và kết hợp hydro với một chất khác (hợp chất lưu trữ hydro) dưới điều kiện áp suất thấp để tạo ra trạng thái hợp chất giả. Hiện nay, công nghệ lưu trữ hydro kim loại hydride vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và chưa được thương mại hóa. Nó chủ yếu bị hạn chế bởi các yếu tố sau: (1) Hợp chất lưu trữ hydro rất đắt tiền; (2) Cấu trúc phức tạp. Vì lượng nhiệt lớn được phát ra trong quá trình lưu trữ hydro, thiết bị trao đổi nhiệt phải được thêm vào thiết bị lưu trữ; (3) Hydride chính nó có tính ổn định kém và dễ tạo thành các thành phần tạp hại. Sau khi sử dụng lặp đi lặp lại, hiệu suất giảm đáng kể; (4) Chất lượng lưu trữ hydro tương đối thấp. Nếu được đo bằng khối lượng, nó chỉ có thể lưu trữ 2% đến 4% hydro công nghiệp.
3.4 Công nghệ lưu trữ hydro hợp chất hữu cơ đã thu hút nhiều sự chú ý
Công nghệ lưu trữ hydro hợp chất hữu cơ đạt được lưu trữ hydro thông qua các phản ứng hydrogen hóa và dehydrogen hóa đảo ngược của chất hữu cơ lỏng không no. Phương pháp lưu trữ hydro này có các ưu điểm về chất lượng cao, mật độ lưu trữ hydro theo thể tích cao, an toàn, dễ vận chuyển xa, và lưu trữ lâu dài. Công nghệ lưu trữ hydro hợp chất hữu cơ vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển, và vẫn còn nhược điểm như yêu cầu kỹ thuật cao, chi phí cao, hiệu suất dehydrogen hóa thấp, và dễ gây coking và deactivation.
Chi phí thiết bị của các thiết bị hydro hóa và dehydro hóa là cao. Phản ứng dehydro hóa cần được hoàn thành dưới điều kiện dị thể áp suất thấp và nhiệt độ cao. Bị hạn chế bởi sự chuyển nhiệt và chất lượng và giới hạn cân bằng phản ứng, hiệu suất phản ứng dehydro hóa thấp và dễ xảy ra phản ứng phụ, dẫn đến sản phẩm hydro không tinh khiết. Ngoài ra, dưới điều kiện nhiệt độ cao, cấu trúc lỗ của xúc tác dehydro hóa dễ bị phá hủy, dẫn đến coking và mất hoạt tính.
4 Cơ sở hạ tầng ngành công nghiệp hydro
Phương tiện chính của vận chuyển hydro công nghiệp là vận chuyển qua đường ống hydro của hydro khí hoặc hydro lỏng áp suất cao. Đường ống xa cần tiến hành nghiên cứu cơ bản về sự tương thích giữa thép đường ống và hydro áp suất cao, và đổi mới phương pháp vận hành và quản lý đường ống để đạt được việc xây dựng đường ống hydro xa, áp suất cao, quy mô lớn.
4.1 Vận chuyển hydro qua đường ống đang ở giai đoạn ban đầu
Công nghệ trộn hydro qua đường ống và vận chuyển hydro kết hợp với dầu là các liên kết quan trọng trong việc thực hiện vận chuyển hydro xa và quy mô lớn. Vận chuyển hydro qua đường ống toàn cầu bắt đầu sớm, nhưng phát triển chậm chạp. Châu Âu đã vận chuyển hydro qua đường ống xa hơn 80 năm. Hiện tại, châu Âu có tổng chiều dài khoảng 1.500 km đường ống hydro, trong đó đường ống hydro Pháp-Bỉ với chiều dài gần 400 km là dài nhất thế giới. Chiều dài của đường ống hydro hiện có tại Hoa Kỳ là 720 km, rất ngắn so với chiều dài của đường ống khí tự nhiên của nước này (gần 55×10 4 km).
Đất nước ta đã có nhiều đường ống hydro đang hoạt động, như đường ống hydro Sinopec Lương Dương Luyện và Hóa chất Jiyuan-Lương Dương với tổng chiều dài 25 km và công suất truyền khí hàng năm là 10.04×10 4 t; đường ống khí lò cốc Wuhai-Yinchuan có tổng chiều dài 216,4 km và công suất truyền khí hàng năm là 16.1×10 8 m 3, chủ yếu được sử dụng để vận chuyển khí lò cốc và khí hydro hỗn hợp.
4.2 Xây dựng chung hydro và dầu của các trạm nạp hydro
Với sự mở rộng liên tục của thị trường ngành công nghiệp hydro, chuỗi ngành công nghiệp hydro đang dần được cải thiện liên tục. Hiện nay, xe chạy bằng hydro đang phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về hydro công nghiệp đã tăng đáng kể, và việc xây dựng các trạm nạp hydro cũng được tăng tốc tương ứng.
Đến cuối năm 2017, có 328 trạm nạp hydro đang hoạt động trên toàn thế giới, bao gồm 139 ở châu Âu, 119 ở châu Á, 68 ở Bắc Mỹ, và 1 ở Nam Mỹ và Úc.
"Sách xanh về Phát triển Cơ sở Hạ tầng Ngành công nghiệp Năng lượng Hydro của Trung Quốc" đã đề ra kế hoạch cho mục tiêu phát triển của việc xây dựng trạm nạp hydro trung và dài hạn của đất nước và các phương tiện chạy bằng tế bào nhiên liệu. Dự kiến rằng đất nước ta sẽ xây dựng 100 trạm nạp hydro và 1.000 trạm vào năm 2030. Đến tháng 2 năm 2018, Trung Quốc đã xây dựng và đang xây dựng tổng cộng 31 trạm nạp hydro, trong đó có 12 trạm đang hoạt động.
Các cơ sở chính của một trạm nạp hydro bao gồm thiết bị lưu trữ hydro, thiết bị nén, thiết bị nạp và hệ thống điều khiển trạm. Hiện nay, chi phí xây dựng trung bình của một trạm nạp hydro trên toàn cầu dao động giữa 2 triệu và 5 triệu đô la Mỹ, trong đó chi phí máy nén cao nhất, chiếm khoảng 30% tổng chi phí. Chi phí xây dựng trạm nạp hydro tại Trung Quốc tương đối thấp, dao động từ 2 triệu đến 2,5 triệu đô la Mỹ (công suất hydro hóa 35 MPa). Do đó, cần tăng tốc quá trình địa phương hóa của máy nén hydro công nghiệp, giảm chi phí xây dựng trạm nạp hydro, và thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp hydro.
Dự đoán rằng các trạm nạp hydro trên toàn cầu sẽ bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng, và sẽ có hơn 1.000 trạm vào năm 2025. Đồng thời, khảo sát khả năng xây dựng chung các trạm nạp hydro và trạm xăng sẽ được tăng cường, như mô hình xây dựng chung được áp dụng bởi Đức, Nhật Bản và các quốc gia khác, và các thử nghiệm xây dựng chung của nhiều trạm nạp hydro và trạm xăng được thực hiện tại Yunfu, Quảng Đông, Trung Quốc. Trong tương lai, rất có khả năng mô hình xây dựng chung bốn trạm của trạm nạp hydro, trạm xăng, trạm xăng và trạm sạc sẽ xuất hiện.
